Techno-economic analysis of Fischer-Tropsch fuel production from biogas reforming

This work is carried out in the context of Biogas To Liquids (BgTL) processes and deals with the design and simulation of a Biogas to Fischer-Tropsch plant using the Aspen Plus software. Biogas is produced by the anaerobic digestion of organic material and can therefore be obtained from the exploitation of process scraps such as crop residues, animal manure and municipal solid waste. In this way, the exploitation of this sources favours the development of a circular and sustainable economy. Biogas has to be transformed into the so-called synthesis gas, syngas, which is a mixture rich in hydrogen and carbon monoxide. Several processes can be used to produce chemical products from the syngas such as methanol and liquid fuels. In this way, the CO2 contained in the biogas can also be exploited. In this work, syngas is transformed into hydrocarbons through Fischer-Tropsch synthesis (FTS), which is a catalytic and exothermic process in which H2 and CO are involved in polymerisation reactions to form mainly hydrocarbons, and also alcohols and aromatics in lower amounts. The obtained mixture is called synthetic crude oil, and differently from crude oil, it contains neither sulphur nor nitrogen compounds. Consequently, the refining of syncrude is more sustainable than traditional distillation, and allows the production of transport fuels such as biogasoline, biodiesel, jet fuel, and chemicals such as alcohols or waxes. The syncrude composition depends on how the synthesis is carried out, i.e. the operating conditions of the process, the type of catalyst, the reactor and the composition of the syngas. Based on a literature review on the state of the art of reforming technologies to convert biogas into syngas and the Fischer-Tropsch synthesis, the plant layout will be discussed as well as design choices and operating conditions of each component of the system. Biogas steam reforming was selected among reforming technologies because it allows a syngas with the right H2/CO ratio to be obtained in a single step by adjusting the amount of steam fed to the reformer. Consequently, it is possible to obtain a syngas with the right requirements for synthesis without introducing adjustment steps such as WGS reactors or electrolysers. Compared to autothermal reactors, steam reforming reactors do not require the introduction of pure oxygen into the system, thus avoiding the use of air separation units. The unconverted CO2 is then removed using an absorption column working with MDEA-based chemical solvent. A regeneration column is used to recover the CO2-rich solvent by separating the captured CO2 from it. Fischer-Tropsch synthesis takes place in a multitubular fixed-bed reactor with cobalt catalyst. In this type of synthesis, the amount of produced oxygenates are negligible, and therefore alkanes and alkenes will be considered as products, whose distribution is obtained by means of a kinetic model. The reactor has been dimensioned in order to achieve the desired conversion. The separation of the hydrocarbons from the syncrude takes place via flash chambers, in order to reduce the process costs, according to Herz et al. C22+ hydrocarbons represent the waxes flow, and can be considered as final products, while middle hydrocarbons (mainly C6-C21) are destined for a subsequent distillation step. Tailgases, representing the unrecovered lighter hydrocarbons, unconverted CO and H2, and inert gases such as nitrogen, are recirculated through the plant to increase the overall conversion of the reactants. A portion of tailgases is burned to provide heat for the steam reforming reactor. Sensitivity analyses have been carried out in order to assess the impact of design choices on plant performance. The influence of the syngas composition, i.e. the H2/CO ratio, the reformer pressure, the recirculations and whether it is profitable to burn part of the fresh biogas instead of tailgas to provide heat to the reformer will be analysed. CAPEX and OPEX of the system will be estimated in order to assess the economic feasibility of the facility. This makes it possible to calculate the impact of the different equipment components on the plant and to estimate the break-even selling price of the products. The sensitivity analysis on the reformer pressure is extended to the economic level in order to obtain an optimum point, i.e. the plant condition that maximises profits.

Il presente lavoro di Tesi si inserisce nel contesto dei processi Biogas To Liquids (BgTL) e ha come obiettivo il progetto e la simulazione di un impianto Biogas to Fischer-Tropsch utilizzando il software Aspen Plus. Il biogas è prodotto dalla digestione anaerobica di materiale organico e può quindi essere ottenuto dallo sfruttamento di scarti di processo come residui di colture, letame animale e rifiuti solidi urbani. In questo modo, lo sfruttamento di queste fonti favorisce lo sviluppo di un'economia circolare e sostenibile. Il biogas deve essere trasformato nel cosiddetto gas di sintesi, syngas, che è una miscela ricca di idrogeno e monossido di carbonio. Diversi processi possono essere utilizzati per produrre prodotti chimici dal syngas come metanolo e combustibili liquidi. In questo modo, anche la CO2 contenuta nel biogas può essere sfruttata. In questo lavoro, il syngas viene trasformato in idrocarburi attraverso la sintesi Fischer-Tropsch (FTS), che è un processo catalitico ed esotermico in cui H2 e CO sono coinvolti in reazioni di polimerizzazione per formare principalmente idrocarburi, ma anche alcoli e aromatici in quantità inferiori. La miscela ottenuta è chiamata syncrude e, a differenza del petrolio greggio, non contiene né zolfo né composti azotati. Di conseguenza, la raffinazione del syncrude è più sostenibile della distillazione tradizionale, e permette la produzione di carburanti per il trasporto come bio-benzina, bio-diesel, jet fuel, e prodotti chimici come alcoli o cere. La composizione del syncrude dipende da come viene effettuata la sintesi, ovvero dalle condizioni operative del processo, dal tipo di catalizzatore, dal reattore e dalla composizione del syngas. Sulla base di una revisione della letteratura sullo stato dell'arte delle tecnologie di reforming per convertire il biogas in syngas e la sintesi Fischer-Tropsch, il layout dell'impianto sarà discusso così come le scelte progettuali e le condizioni operative di ogni componente del sistema. Lo steam reforming del biogas è stato selezionato tra le tecnologie di reforming perché permette di ottenere un syngas con il giusto rapporto H2/CO in una sola fase, regolando la quantità di vapore alimentato al reformer. Di conseguenza, è possibile ottenere un syngas con i giusti requisiti per la sintesi senza introdurre step di regolazione come i reattori WGS o gli elettrolizzatori. Rispetto ai reattori autotermici, i reattori steam reforming non richiedono l'introduzione di ossigeno puro nel sistema, evitando così l'uso di unità di separazione dell'aria. La CO2 non convertita viene poi rimossa usando una colonna di assorbimento che lavora con un solvente chimico a base di MDEA. Una colonna di rigenerazione è usata per recuperare il solvente ricco di CO2 separando da esso la CO2 catturata. La sintesi Fischer-Tropsch avviene in un reattore multi tubolare a letto fisso con catalizzatore al cobalto. In questo tipo di sintesi, le quantità di ossigenati prodotti sono trascurabili, e quindi alcani e alcheni saranno considerati come prodotti, la cui distribuzione è ottenuta per mezzo di un modello cinetico. Il reattore è stato dimensionato in modo da ottenere la conversione desiderata. La separazione degli idrocarburi dal syncrude avviene tramite camere di flash, al fine di ridurre i costi di processo, in accordo con il lavoro di Herz et al. Gli idrocarburi C22+ rappresentano il flusso delle cere, e possono essere considerati come prodotti finali, mentre gli idrocarburi medi (principalmente C6-C21) sono destinati ad una successiva fase di distillazione. I tailgases, che rappresentano gli idrocarburi più leggeri non recuperati, il CO e l'H2 non convertiti e i gas inerti come l'azoto, sono ricircolati nell'impianto per aumentare la conversione complessiva dei reagenti. Una parte dei tailgases viene bruciata per fornire calore al reattore di steam reforming. Sono state effettuate delle analisi di sensibilità per valutare l'impatto delle scelte progettuali sulle prestazioni dell'impianto. Verrà analizzata l'influenza della composizione del syngas, ovvero il rapporto H2/CO, la pressione del reformer, i ricircoli e se è vantaggioso bruciare parte del biogas fresco invece dei tailgases per fornire calore al reformer. CAPEX e OPEX del sistema saranno stimati al fine di valutare la fattibilità economica dell'impianto. Questo permette di calcolare l'impatto dei diversi componenti sul sistema e di stimare il prezzo di vendita di break-even dei prodotti. L'analisi di sensibilità sulla pressione del reformer viene estesa al livello economico per ottenere un punto ottimale, cioè la condizione dell'impianto che massimizza i profitti.